COULEUR DES MINÉRAUX

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Causes atomiques

Bien qu'il s'agisse toujours du même processus, il y a lieu de distinguer plusieurs cas. Dans un atome, les niveaux d’énergie sur lesquels vont pouvoir se placer les électrons sont nettement séparés les uns des autres et, en général, multiples. Dans un cristal, en revanche, on aura soit des niveaux groupés en bandes continues, dont la largeur atteint facilement quelques électronvolts (c'est-à-dire une centaine de kilojoules), soit des niveaux fins, provenant d'atomes de constitution ou bien étrangers. Dans ce dernier cas, on obtient, comme pour les atomes ou les molécules, un spectre de raies plus ou moins fines, élargies à la suite des vibrations du réseau cristallin. Dans le cas des bandes, on obtient de larges domaines d'absorption continue.

Deux cas peuvent se présenter pour les spectres de bandes :

Les bandes sont soit pleines, soit vides. C'est ce qui se passe pour le diamant et le quartz, et plus généralement pour tout semiconducteur. Les transitions se font entre les niveaux de la plus haute bande pleine et ceux de la première vide. Si la zone d'absorption qui en résulte tombe à l'extérieur du domaine de sensibilité de notre œil qui constitue ce qu'on appelle le visible, le cristal est transparent. Si, au contraire, la zone d'absorption recouvre tout le domaine du visible, le corps paraît gris, sinon noir. Si le domaine d'absorption ne recouvre qu'une partie du visible, c'est la couleur complémentaire qui apparaît : par exemple, le cinabre (HgS) est rouge et l'orpiment (As2S3) est jaune-orangé.

La bande la plus haute utilisée par les électrons n'est que partiellement remplie. Le cristal est alors un métal. Les premiers niveaux vides sont extrêmement voisins des plus hauts utilisés. Toutes les fréquences visibles sont absorbées. De plus, le cristal possède un pouvoir réflecteur élevé qui lui confère un éclat métallique. Cet éclat se manifeste aussi avec les sulfures, comme dans la galène (PbS) ou la pyrite (FeS2). On notera cependant que, si toutes les fréquences sont absorbées, elles le sont parfois de façon inégale, de sorte que la lumière réfléchie sera colorée, comme avec l'or ou le cuivre. Par transparence, sous une faible épaisseur, un métal peut paraître coloré. La couleur est alors la complémentaire de celle qui est absorbée. Ainsi, une feuille d'or est violette par transparence. Bien qu’il ne soit pas un métal, le graphite possède une bande à moitié remplie. D'où sa couleur et son éclat.

En fait, c'est le cas des spectres de raies relativement fines qui est le plus fréquent dans les minéraux colorés. Pratiquement, on peut même dire que la couleur résulte exclusivement de l'absorption causée par des ions. Ces derniers proviennent essentiellement des métaux de transition de la première période (V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu), mais aussi du plomb et des éléments des terres rares. Des ions polyatomiques peuvent aussi intervenir : des cations comme UO22+, mais surtout des anions (vanadates, chromates, manganates) ou encore des anions inusuels comme S2 ou S3. Un électron solitaire piégé dans une lacune anionique du réseau peut présenter une série de niveaux suffisamment rapprochés les uns des autres pour que les transitions entre l'état de plus basse énergie et les premiers niveaux vides se situent dans le visible. On a alors une coloration, c’est le cas des cristaux bleus de sel gemme.

Un point important qui doit être souligné est que le spectre de raies d'absorption d'un ion dans un cristal est très différent de ce qu'il est à l'état isolé. Sous l'effet du champ électrostatique créé par le cristal, les niveaux électroniques d'un atome ou d'un ion, mutiples en général à l'état isolé, vont en effet éclater en plusieurs composantes. Cet éclatement est qualitativement conditionné par la symétrie générale du réseau cristallin, et quantitativement par son intensité.

Prenons le cas le plus simple, celui de l'ion Ti3+, qui ne possède qu'un seul électron sur le multiplet supérieur qui est dégénéré d'ordre cinq. Dans un champ cristallin de symétrie cubique (comme dans le chlorure de sodium), l'ensemble des cinq niveaux se divise en deux groupes (notés E et T2), alors que dans un champ cristallin trigonal (calcite par exemple), on a trois groupes (deux E et un A1) (fig. 1).

Décomposition d'un multiplet

Dessin : Décomposition d'un multiplet

Décomposition du multiplet d'ordre 5 de l'ion titane Ti3+ selon la symétrie du cristal. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Lorsque le niveau supérieur contient plus d'un électron, le diagramme énergétique devient nettement plus complexe.

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Décomposition d'un multiplet

Décomposition d'un multiplet
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Écrit par :

  • : professeur émérite à l'université de Provence

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André JULG, « COULEUR DES MINÉRAUX », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 22 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/couleur-des-mineraux/